实验三Matlab的数字调制系统仿真实验(参考)

1成都理工大学实验报告课程名称：数字通信原理姓名：__________________学号：______________成绩：_______实验三Matlab的数字调制系统仿真实验（参考）1数字调制系统的相关原理数字调制可以分为二进制调制和多进制调制，多进制调制是二进制调制的推广，主要讨论二进制的调制与解调，简单讨论一下多进制调制中的差分相位键控调制（M-DPSK）。最常见的二进制数字调制方式有二进制振幅键控（2-ASK）、移频键控（2-FSK）和移相键控（2-PSK和2-DPSK）。下面是这几种调制方式的相关原理。1.1二进制幅度键控（2-ASK）幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，此时又可称作开关键控法(OOK)。多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。2-ASK信号功率谱密度的特点如下：（1）由连续谱和离散谱两部分构成；连续谱由传号的波形g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；（2）已调信号的带宽是基带脉冲波形带宽的二倍。1.2二进制频移键控（2-FSK）数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK2信号便是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。频移键控是利用两个不同频率f1和f2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。2-FSK功率谱密度的特点如下：(1)2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分构成,•离散谱出现在f1和f2位置；(2)功率谱密度中的连续谱部分一般出现双峰。若两个载频之差|f1-f2|≤fs，则出现单峰。2FSK信号的产生方法主要是两种。第一种是用二进制基带矩形脉冲信号区调制一个调频器，使其能够输出两个不同的频率的码元，如图1.1（1）；第二种方法是用以个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，如图1.1（2）。两者的区别是前者的相位是连续的，后者由于两个独立的频率源产生的两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。2-FSK信号的接受也分为相干和非相干接受两类。最常用的解调方法是采用的相干检测法，相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图8-8所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值V0（t）和V1(t)进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。如图1.2所示。A(t)s(t)频率源0频率源1f0f1开关电路图1.1（2）调频器s(t)A(t)图1.1（1）31.3二进制相移键控（2-PSK）在相移键控中，载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载波相位为0或π，为1时载波相位为π或0。载波相位和基带信号有一一对应的关系，从而达到调制的目的。2-PSK信号的功率密度有如下特点：(1)由连续谱与离散谱两部分组成；(2)带宽是绝对脉冲序列的二倍；(3)与2ASK功率谱的区别是当P＝1/2时，2PSK无离散谱，而2ASK存在离散谱。2PSK信号的产生方法主要也是两种。第一种是相乘法，用二进制不归零矩形脉冲信号与载波相乘，得到相位反相的两种码元，如图1.3（1）；第二种方法叫选择法，是用此基带信号控制一个开关电路，以选择输入信号，开关电路的输入信号是相位相差的同频载波，如图1.3（2）。由于2PSK信号实际上是以一个固定初相的末调载波为参考的，因此，解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波的相位发生变化，如0相位变为相位或相位变为0相位，则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”，从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相，而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒带通滤波f0带通滤波f1相乘相乘低通滤波低通滤波抽样判决输入输出Vo(t)V1(t)cos0(t)cos1(t)y0(t)y1(t)定时脉冲图1.22FSK信号的相干接收原理方框图A(t)3s(t)载波移相图1.3（2）相乘s(t)A(t)图1.3（1）本地载波4”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊，造成反向工作。2PSK信号的解调方法是相干接受法。由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号，如图1.4所示。1.4二进制差分相移键控（2DPSK）二进制差分相移键控(2DPSK)二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。与2PSK的波形不同，2DPSK波形的同一相位并不对应相同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调2DPSK信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。这就避免了2PSK方式中的“倒π”现象发生。单从波形上看，2DPSK与2PSK是无法分辩的，一方面，只有已知移相键控方式是绝对的还是相对的，才能正确判定原信息；另一方面，相对移相信号可以看作是把数字信息序列（绝对码）变换成相对码，然后再根据相对码进行绝对移相而形成。这就为2DPSK信号的调制与解调指出了一种借助绝对移相途径实现的方法。2DPSK信号的解调有两种解调方式，一种是差分相干解调，另一种是相干解调-码变换法。后者又称为极性比较－码变换法。带通滤波相乘低通滤波抽样判决本地载波提取V(t)图1.42PSK信号相干接收原理方框图52数字调制系统各个环节分析2.1仿真框图典型的数字通信系统由信源、编码解码、调制解调、信道及信宿等环节构成，其框图如图2.1所示：数字调制是数字通信系统的重要组成部分，数字调制系统的输入端是经编码器编码后适合在信道中传输的基带信号。对数字调制系统进行仿真时，我们并不关心基带信号的码型，因此，我们在仿真的时候可以给数字调制系统直接输入数字基带信号，不用在经过编码器。MATLAB提供的图形界面仿真工具Simulink由一系列模型库组成,包括Sources(信源模块)，Sinks(显示模块)，Discrete(离散系统模块)，Linear(线性环节)，Nonlinear(非线性环节)，Connections(连接),Blocksets&Toolboxes(其他环节)。特别是在Blocksets&Toolboxes中还提供了用于通信系统分析设计和仿真的专业化模型库CommTbxLibrary。在这里，整个通信系统的流程被概括为：信号的产生与输出、编码与解码、调制与解调、滤波器以及传输介质的模型。在每个设计模块中还包含有大量的子模块，它们基本上覆盖了目前通信系统中所应用到的各种模块模型。通信系统一般都可以建立数学模型。根据所需仿真的通信系统的数学模型(或数学表达式)，用户只要从上述各个模型库中找出所需的模块,用鼠标器拖到模型窗口中组合在一起,并设定好各个模块参数,就可方便地进行动态仿真.从输出模块可实时看到仿真结果,如时域波形图、频谱图等。每次仿真结束后还可以更改各参数,以便观察仿真结果的变化情况。另外，对Simulink中没有的模块，可运用S函数生成所需的子模块，并且可以封装和自定义模块库，以便随时调用。根据Simulink提供的仿真模块，数字调制系统的仿真可以简化成如图2.2所示的模型：图2.1数字通信系统模型信息源编码器调制器信道解调器解码器受信者噪声源62.2信号源仿真及参数设置Simulink通信工具箱中的CommSources/DataSources提供了数字信号源BernoulliBinaryGenerator，这是一个按Bernoulli分布提供随机二进制数字信号的通用信号发生器。在现实中，对受信者而言，发送端的信号是不可预测的随机信号。因此，我们在仿真中可以用BernoulliBinaryGenerator来模拟基带信号发生器。其中主要参数的含义为：Probabilityofazero：产生的信号中0符号的概率，在仿真的时候一般设成0.5，这样便于频谱的计算；Initialseed：控制随机数产生的参数，要求不小于30，而且与后面信道中的Initialseed设置不同的值；Sampletime：抽样时间，这里指一个二进制符号所占的时间，用来控制号发生的速率，这个参数必须与后面调制和解调模块的Symbolperiod保持一致。2.3调制与解调模块Simulink通信工具箱中提供了数字信号各种调制方式的模块，如AM、CPM、FM及PM等。虽然不同的调制模块，参数设置有所不同，但很多参数在各种调制中是一致的，下面我们以DPSK调制模块为例介绍一下调制模块的参数及其设置，其余模块将在下面仿真模型的建立过程中详细介绍。M-DPSKModulatorBaseband和M-DPSKDemodulatorBaseband分别是数字信号DPSK调制和解调的专用模块，其中主要参数有：M-arynumber：输入信号的阶次数，比如2-DPSK就是2阶的；Symbolperiod：符号周期，即，一个符号所占的时间，这必须与信号源的Sample基带信号调制器信道调制器基带信号噪声源图2.2数字调制系统仿真框图7time保持一致；Carrierfrequency：载波频率；Carrierinitialphase：载波的初始相位；Inputsampletime：输入信号的抽样时间；Outputsampletime：输出信号的抽样时间。其中，各参数要满足以下关系：Symbolperiod1/(Carrierfrequency)Inputsampletime1/[2*Carrierfrequency+2/(Symbolperiod)]Outputsampletime1/[2*Carrierfrequency+2/(Symbolperiod)]2.4信道在分析通信系统时通常选择高斯噪声作为系统的噪声来考查，因为这种噪声在现实中比较常见而且容易分析。Simulink中提供了带有加性高斯白噪声的信道：AWGNChanne。仿真时可以用该模块模拟现实中的信道，该模块的主要参数有：Initialseed：控制随机数产生的参数，要求不小于30，且与前面信号源中的Initialseed设置不同的值；Es/No(dB)：信号每个符号的能量与噪声的功率谱密度的比值；SNR(dB)：信号功率与噪声功率的比值；注：Es/No(dB)和SNR(dB)是表征信号与噪声关系的两种方法，在一次仿真中只能选择其中一个。2.5误码计算仪信号经过信道后，由于噪声的干扰，在接收端可能出现误码，Simuli